FLUENT 軟件在油氣儲運工程領域的應用

金俊卿 鄭云萍

西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500

0 前言

油氣儲運工程是連接油氣生產、加工、分配、銷售諸環(huán)節(jié)的紐帶，主要包括油氣田集輸、長距離輸送管道、儲存與裝卸及城市輸配系統(tǒng)等。 近年來，油氣儲運工程得到了高速發(fā)展，中國已經啟動國家油氣儲備計劃，正在更快更好地建設中國油氣儲運管網。 隨著油氣儲運行業(yè)的迅速發(fā)展，單純使用理論和試驗研究已不能滿足發(fā)展的需要，必須采用相應的模型研究油氣儲運工程領域各個環(huán)節(jié)可能出現的問題，有針對性地采取措施，避免發(fā)生安全事故，減少資源浪費。 在現代石油工業(yè)高性能、低造價、可操作性強的要求下，利用FLUENT 軟件模擬相關流體問題，能夠有針對性地采取措施，進行結構優(yōu)化，推動油氣儲運行業(yè)的發(fā)展。

計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）是流體力學的一個分支，通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的相關信息，實現用計算機代替試驗裝置完成“計算試驗”，為工程技術人員提供實際工況模擬仿真的操作平臺。 FLUENT 是通用CFD 軟件包，用于模擬具有復雜外形的流體流動以及熱傳導，可實現對多種復雜物理條件下流場真實和全域的模擬。 由于其成本低、周期短、計算精度高、與實際吻合度高的特點，在實驗研究和商業(yè)應用中具有重要的指導作用， 故應用越來越廣泛［1］。

1 概述

計算流體動力學是近現代流體動力學的一個重要分支，FLUENT 軟件的設計基于“CFD 軟件群”思想［2］，可針對各種不同流動的特點，采用最佳的數值解法，準確模擬流動、傳熱和化學反應等物理現象。

FLUENT 軟件主要用于模擬和分析復雜幾何區(qū)域內的流體流動和傳熱現象，有靈活的網格特性，可以支持多種網格，凡與流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業(yè)均可使用。 用戶可以自由選擇使用非結構化或者結構化網格來劃分復雜的集合區(qū)域，也可以利用FLUENT 軟件提供的網格自適應特性在求解過程中根據所獲得的計算結果來優(yōu)化網格。從用戶需求角度出發(fā)，FLUENT 軟件容易上手，針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，在特定領域內使計算速度、穩(wěn)定性和精度等達到最佳組合，高效地解決油氣儲運工程領域的復雜流動計算問題［3-4］。

FLUENT 軟件同傳統(tǒng)的CFD 計算方法相比，具有以下優(yōu)點：

a） 穩(wěn)定性好。 經大量實例驗證，FLUENT 軟件的模擬結果同實驗結果吻合度高。

b）運算精度高，具有二階計算精度。

c）適用范圍廣。 FLUENT 軟件提供了非耦合隱式算法、耦合顯式算法和耦合隱式算法三種數值算法。 含有先進的物理模型，可應用于湍流、多相流、熱傳導、燃燒、化學反應等幾乎所有與流體相關的領域。

d）高效省時。 FLUENT 軟件將不同領域的計算軟件組合起來，采用統(tǒng)一的前后處理工具，節(jié)省了時間。

e）先進的動/變形網格技術。 用戶只需折定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成。 可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規(guī)律事先不知道而完全流動所產生的力所決定的問題。

f）強大的網格支持能力。 FLUENT 軟件支持界面不連續(xù)的網格、 混合網格、 動/變形網格以及滑動網格等。FLUENT 軟件還擁有多種基于解的網格自適應、動態(tài)自適應以及動網格與網格動態(tài)自適應相結合的技術［4］。

2 應用現狀

2.1 旋風分離器內部流場數值模擬

利用FLUENT 軟件對旋風分離器內部流場進行數值模擬，將不同湍流模型、不同離散方式、不同內部結構（進口角度、進料管結構、圓筒段結構等）的數值模擬結果進行對比，確定出最合適的分離器內部流場，為分離器的進一步結構優(yōu)化提供理論依據。

魏新利等人［5］采用FLUENT 軟件中的k-ε 標準模型、RNG k-ε 模型和RSM 模型對旋風分離器內部流場進行了數值模擬，將模擬結果與實驗結果比較得出最適合旋風分離器的數值解法：湍流模型采用各向異性的RSM 模型，離散方式采用對流項的QUICK 格式和壓力梯度項的PRESTO 格式。

郭廣東等人［6］研究了三相旋流器結構參數和分離效率之間的關系，通過改變三相旋流器的內部結構，借助FLUENT 軟件研究內部流場的變化情況， 確定出提高旋流器分離性能的方法。 而張建等人［7］采用FLUENT 軟件對三種排塵口直徑不同的旋風分離器以及長錐型旋風分離器中的氣相流動規(guī)律進行數值模擬， 結果表明，隨著排塵口直徑減小，分離性能有所提高。

2.2 管道停輸溫降數值模擬

在管道運行過程中，停輸是不可避免的。 掌握其溫降規(guī)律對確定安全停輸時間、再啟動方案和停輸檢修安排具有指導意義。 此類散熱問題可以采用數值解法（主要為有限元法和有限體積法），通過控制網格的劃分，計算可得到較高精度的解。

張煜等人［8］分析了不同位置、不同初始溫度、不同管徑條件下的熱油管道停輸降溫變化過程， 通過FLUENT軟件模擬發(fā)現，溫降過程分三階段，第一階段自然對流導致溫降速度最快；第二階段原油黏度增大，溫降曲線平緩；第三階段依賴導熱傳熱，管內溫降速率較快，模擬結果與實際情況相符。

王常斌等人［9］運用FLUENT 軟件在三維直角坐標系中建立了埋地熱油管道的物理模型， 對不同傳熱系數、不同流速以及非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的熱油管道進行了數值模擬，得到熱油管道軸向溫度分布圖，分析了管道總傳熱系數和流速對溫度變化的影響。 模擬結果較好地反映了埋地熱油管道沿線溫度下降的基本特征，為實際生產管理提供了科學依據，對指導油田的輸油生產、管道安全性和節(jié)能降耗具有重要意義。

杜明俊等人［10］使用FLUENT 軟件研究多年凍土區(qū)埋地熱油管道停輸溫降問題。 針對多年凍土區(qū)埋地熱油管道運行環(huán)境的特點，對不同季節(jié)管內原油的溫降和土壤溫度場進行了仿真分析， 模擬了管道原油凝固過程，確定合理的停輸時間。

2.3 順序輸送混油數值模擬

成品油常采用順序輸送的運輸方式，其中混油處理是研究順序輸送的難點之一［11］。 由于影響混油濃度的因素很多，因此混油界面在管道內運動復雜，使常規(guī)混油量計算公式的應用具有一定局限性。 數值模擬因具備對復雜流動傳熱邊界條件進行分析、求解的能力，近年來已被用于解決順序輸送混油問題。

趙海燕［12］應用FLUENT 軟件模擬研究了順序輸送混油的問題。 以質量輸送方程為基礎，使用壁面函數法處理固壁邊界，綜合分析了油品輸送速度、輸送次序、停輸、盲支管以及90°彎管等各種工況對混油的影響，模擬結果和理論分析對比基本吻合，為進一步研究成品油順序運輸提供了理論依據和指導。

杜明俊等人［13］利用FLUENT 軟件模擬了冷熱原油順序輸送過程中混油濃度情況。 采用有限容積法建立了順序輸送混油數學模型，分析了不同輸送順序、不同溫度、不同速度對混油濃度的影響，研究結果為工程設計與管理提供了理論指導。

2.4 天然氣管道泄漏擴散數值模擬

天然氣在管道運行的過程中會受到內外因素的干擾，最終導致管道破裂而發(fā)生泄漏。 天然氣泄漏不但導致能源浪費，而且會形成中毒、燃燒爆炸危險區(qū)，當遇到火源或達到一定濃度就會發(fā)生燃燒或爆炸，造成經濟損失。研究管輸天然氣泄漏擴散規(guī)律可迅速預測天然氣泄漏后的擴散及危險范圍，避免不必要的能源浪費和經濟損失。

李自力等人［14］利用FLUENT 軟件對山地條件下天然氣泄漏擴散進行了數值模擬，并編寫UDF 程序導入軟件對風速進行修正。 考慮天然氣向下噴射情況，給出了在不同風速條件下天然氣向下噴射時的爆炸下限濃度和警戒濃度范圍， 將結果與氣體向上噴射情況對比，得出孔口向下噴射時，氣體積聚在近地面不易擴散，比孔口向上噴射時更危險。

胡夏琦［15］采用FLUENT 軟件模擬含H2S 高壓天然氣管道泄漏情況， 研究了含H2S 的高壓天然氣管道泄漏時天然氣的擴散規(guī)律。 模擬結果表明，擴散時，安全空間隨H2S 濃度的增大而減小， 說明含H2S 天然氣比只含甲烷的天然氣更危險。

朱紅鈞等人［16］借助FLUENT 軟件對平坦地區(qū)含硫天然氣集輸管道的泄漏擴散進行了仿真研究，對比分析了泄漏率、壓力和濃度在靜風和有風條件下的分布規(guī)律及危險區(qū)大小，為管道的實際生產運行和緊急救援提供參考。

2.5 LNG 技術方面數值模擬

LNG 作為一種清潔、高效的能源越來越受到各國的青睞［17］。 為推動該領域的發(fā)展，很多研究者以數學模型為載體，利用FLUENT 軟件研究LNG 泄漏、分層、翻滾和蒸發(fā)等問題，取得了一定的成果。

Gavelli F 等人［18-19］借助FLUENT 軟件模擬LNG 泄漏后周圍復雜環(huán)境的情況， 以Falcon 系列測試為理論模型，準確地預測了LNG 低溫泄漏行為。

1980 年在加利福尼亞的China Lake 進行了LNG 系列實驗，黃琴等人［20］以實驗數據為基礎，運用FLUENT軟件對LNG 泄漏擴散進行了模擬，將不同點的模擬結果同實驗數據進行對比。 結果表明，由于實驗過程中風速和風向的影響，模擬結果與實驗結果存在差異，但溫度和濃度的變化趨勢與實驗值基本吻合。

喬國發(fā)［21］運用FLUENT 軟件對紊流態(tài)LNG 分層和翻滾情況進行數值模擬計算，觀察到LNG 分層和翻滾的演變過程大致分為四個階段。同時發(fā)現LNG 翻滾現象產生的根本原因是LNG 分層的存在，LNG 分層產生翻滾的直接原因是熱邊界層的流動。 對模擬結果進行了實驗驗證，二者基本吻合。

2.6 油罐問題的數值模擬

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展以及原油戰(zhàn)略儲備的要求，油罐已成為常用的石油儲備設施。 但作為一種大型壓力容器，容易發(fā)生爆炸事故，造成嚴重的環(huán)境污染，后果往往是災難性的［22］。 很多研究者利用FLUENT 軟件研究油罐滲漏、罐內原油溫降以及油罐的爆炸行為，為油罐的安全設計提供理論借鑒。

萬春利等人［23］借助FLUENT 軟件模擬了大型浮頂罐內原油的溫降情況，具體研究了自然冷卻條件下油罐內溫度和速度的變化機理，得到了分布云圖。 將模擬數據與實測數據對比，二者吻合度很高，相對誤差＜3%。

鄭志偉等人［24］運用FLUENT 軟件的多孔介質模型模擬了立式油罐底部漏油滲流場的分布，研究了影響滲流場分布的相關原因，為油罐滲漏探測方法的研究及油品污染情況的評估提供了參考。

高建豐等人［25］借助FLUENT 軟件對油罐內油氣混合物爆炸情況進行了數值仿真研究。 在一個模擬油罐中進行模擬實驗，建立數學模型，得到相應的模擬結果，將實驗值和模擬值進行對比得到：油罐內油氣混合物爆炸強度與罐內初始溫度、油氣體積分數等因素有關。

3 存在的問題

FLUENT 軟件在油氣儲運工程領域的應用還存在不足之處。 首先，FLUENT 軟件采用有限體積法，在計算過程中為了加快收斂速度，采取了交錯網格，會降低計算精度。

其次，應用FLUENT 軟件進行數值模擬，實際上是一種離散近似的計算方法，計算結果與實際結果有一定偏差，結果不能提供任何形式的解析表達式，只能得到有限個離散點的數值解。

另外，FLUENT 軟件均配有各種湍流模型，包括方程模型、k-ε 模型、RSM 模型、LES 模型等。但這些模型的使用不是通用的，是有一定條件的。 例如：標準k-ε 模型只適合完全湍流的流動過程模擬；RNG k-ε 模型主要針對高雷諾數流動問題，對低雷諾數問題則要進行相應的設置；RSM 模型也屬于高雷諾數湍流計算模型， 在固體壁面附近，由于分子黏性作用，湍流脈動受到阻尼，雷諾數很小，RSM 模型不再適用。

4 發(fā)展趨勢

FLUENT 軟件在油氣儲運工程領域的應用已逐步展開，數值模擬同試驗研究相比，有獨特的優(yōu)勢：成本低，計算快捷、方便，能夠獲得完整數據，無實驗儀器干擾，能提供各個狀態(tài)的實驗數據，可以部分替代惡劣工況和復雜邊界條件下的常規(guī)實驗和工業(yè)試驗，具有一定的應用潛力。 因此，FLUENT 軟件有很大的發(fā)展前景：

a）油氣儲運工程領域是一個多學科綜合性領域，對該領域的模擬需要涉及多方面工作，要求研究者除了具有儲運專業(yè)知識外，還應具有扎實的數學功底和計算機應用知識，同時對流體力學理論也有深刻的認識。

b）綜合應用數值模擬結果和實驗研究結果，用數值模擬指導實驗研究方向， 用實驗研究驗證數值模擬，為實際工程提供更有力的設計依據。

c） 充分利用FLUENT 軟件的自定義函數 （UDF）功能，對FLUENT 軟件進行二次開發(fā)應用，這將為FLUENT軟件提供一種更有效的使用方法，也為FLUENT 軟件的更廣泛使用提供了新思路。

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